Золотые пули для рака: адресная фототермическая терапия

В лекции, прочитанной им в 1906 году, немецкий ученый Пауль Эрлих ввел термин «волшебная палочка» или «волшебная пуля» как сокращение для понятия адресного метода лечения.

Волшебные пули, называемые также серебряными пулями, из-за верования многих народов в то, что только серебряные пули могут убить сверхъестественное существо, сегодня стали целью при разработке лекарственных препаратов.

Группа ученых из Вашингтонского университета (Washington University) в Сент-Луисе работает сейчас над созданием серебряной пули для рака, болезни, лечение которой в настоящее время остается неизбирательным и неспецифическим. Но их пули скорее не серебряные, а золотые.

Золотые пули ученых - это золотые наноклетки (nanocages), которые при инъекционном введении избирательно накапливаются в опухоли. При последующем облучении лазерным светом окружающие ткани слегка нагреваются, в то время как наноклетки превращают свет в тепло, убивая малигнизированные ткани.

В статье, опубликованной в журнале Small, ученые описали успешное применение фототермического метода лечения опухолей у мышей.

«Мы увидели значительные изменения в метаболизме и гистологии опухоли, говорит Майкл Велч (Michael J. Welch), профессор радиологии и биологии развития в Медицинской школе Вашингтонского университета. «Эти изменения поразительны, если учесть, что работа носила разведывательный характер, доза лазерного облучения не была максимальной, а настройка на опухоли была скорее «пассивной», чем «активной».

Почему нагреваются наноклетки

Сами наноклетки абсолютно безвредны. «Соли золота и его коллоидные растворы используются для лечения артритов уже более 100 лет», - говорит Велч. «Мы знаем, какие функции золото выполняет в организме, и знаем, что оно инертно. Поэтому мы надеемся, что его применение в нашем методе не окажет токсического эффекта».

«Ключом к фототермической терапии является способность наноклеток эффективно поглощать свет и превращать его в тепло», - говорит Юнань Ся (Younan Xia), профессор биомедицинской инженерии в Школе инженерии и прикладной науки (School of Engineering and Applied Science).

Суспензии золотых наноклеток, имеющих размер вирусной частицы, не всегда имеют желтый цвет, как казалось бы должно быть. Они могут быть любого цвета радуги.

Суспензии окрашиваются так называемым поверхностным плазмонным резонансом. Отдельные электроны золота не связаны с определенными атомами и образуют электронный газ, объясняет Ся. Падающий на эти электроны свет заставляет их колебаться как единое целое. Такие коллективные колебания, поверхностный плазмон, резонируют на определенной длине волны, или цвета, выбранной из всего падающего света, и это определяет цвет, который мы видим.

«Средневековые ремесленники делали рубиново-красные витражи, подмешивая хлорид золота в расплавленное стекло – процесс, в котором мельчайшие частицы золота оказывались взвешенными в стекле», - говорит Ся.

Резонанс – и цвет – может меняться в широком диапазоне длин волн путем изменения толщины стенок наноклеток. Для биомедицинских исследований ученые настроили наноклетки на 800 нанометров, длину волны, для которой биологические ткани являются прозрачными (750-900 нанометров), лежащую в ближней области инфракрасной части спектра. Такой свет проникает в ткани на глубину нескольких сантиметров (как через кожу, так и через слизистые желудочно- кишечного тракта и других органов).

Преобразование света в тепло происходит благодаря тому же физическому эффекту, что и образование определенного цвета. Резонанс состоит из двух частей. На резонансной частоте свет обычно как рассеивается наноклетками, так и поглощается ими.

Контролируя размер наноклеток, ученые из лаборатории Ся добились максимального его поглощения.

Пассивное нацеливание

«При введении наночастиц в организм на них отлагаются белки. Такие комплексы захватываются иммунной системой, удаляются из кровотока и аккумулируются в печени или селезенке».

Чтобы предотвратить подобные нежелательные процессы, ученые покрыли наноклетки слоем полиэтиленгликоля (PEG), нетоксичного химического вещества, которое большинство людей употребляют в виде слабительных препаратов. PEG препятствует адсорбции белков и делает их невидимыми для иммунной системы. В результате наночастицы достаточно долго циркулируют в крови и аккумулируются в опухоли.

Растущая опухоль должна развить свою собственную систему кровоснабжения, чтобы предотвратить недостаточное поступление кислорода и питания. Но сосуды опухоли, также как и ее клетки, проявляют многие аномальные свойства. Они характеризуются нерегулярным диаметром и аномальной системой разветвления. Но самое главное, у них тонкие и высокопроницаемые стенки.

В отличие от клеток нормальных сосудов, которые плотно прилегают друг к другу и образуют водонепроницаемый барьер, клетки, выстилающие сосуды опухоли, дезорганизованы и имеет неправильную форму. Все это приводит к тому, что в опухолевых сосудах образуются поры.

Через такие поры наноклетки достаточно эффективно проникают в опухоль– поверхность обычно розоватой опухоли становится черной.

Пробный запуск

В лаборатории Вэлча мыши, имеющие двухсторонние опухоли, были случайным образом разделены на две группы. Мышам одной группы были инъецированы покрытые PEG наноклетки, а мышам второй группы – буферный раствор. Спустя несколько дней правую сторону каждого животного облучили лазером с экспозицией в 10 минут.

Чтобы проследить эффект терапии, ученые использовали несколько различных неинвазивных методов визуализации. (Вэлч работает над созданием контрастирующих веществ и методов визуализации опухолей многие годы).

Во время облучения тепловые изображения опухолей мышей были сделаны с помощью инфракрасной камеры. Так же как клетки других животных, автоматически регулирующих температуру своего тела, клетки мышей оптимально функционируют при температуре тела от 36.5 до 37.5 градусов по Цельсию.

При температуре выше 42 градусов по Цельсию клетки начинают умирать, так как сворачиваются белки, поддерживающие их нормальную жизнедеятельность.

Температура поверхности тела мышей с инъецированными наноклетками быстро увеличивалась от 32 до 54 градусов.

Температура поверхности тела мышей, которым вводился буферный раствор, оставалась нормальной – 37 градусов С.

Чтобы увидеть, какое влияние такое нагревание оказало на опухоли, мышам вводились радиоактивные метки, включенные в молекулу, похожую на глюкозу – основной энергетический источник организма. Для регистрации концентрации двойника глюкозы в опухолях ученые использовали позитронно-эмиссионное и компьютерно-томографическое (PET и CT) сканирование – чем выше уровень глюкозы, тем сильнее метаболическая активность.

Опухоли мышей с введенными наноклетками контрастировались значительно слабее, чем опухоли мышей с введенным буферным раствором, указывая на то, что многие клетки опухоли уже не функционировали.

Позднее было установлено, что опухоли мышей с наноклетками имели выраженные гистологические признаки повреждения клеток.

Активное нацеливание

Для продолжения своей работы над фототермической терапией ученые получили рассчитанный на пять лет грант в сумме $2,129,873 от Национального института рака (National Cancer Institute).

Несмотря на имеющиеся результаты, Ся разочарован методом пассивного нацеливания. Хотя опухоли накапливают достаточно золотых наноклеток, чтобы изменить их цвет на черный, непосредственно в них аккумулировалось только 6% введенных наночастиц.

Ся хотелось бы, чтобы этот процент достигал 40. В таком случае можно было бы вводить значительно меньше наночастиц. Поэтому он планирует связать с наноклетками молекулы-лиганды, узнающие определенные рецепторы на поверхности опухолевых клеток и связывающиеся с ними.

В дополнении к активному связыванию наноклеток с опухолевыми клетками ученые рассчитывают загрузить полые частицы противораковыми препаратами, чтобы атаковать опухоль сразу с двух фронтов.

Но важное достижение, с точки зрения пациентов, заключается в том, что любой метод лечения с помощью наноклеток будет узконаправленным, что позволит избежать побочных эффектов.

Источник:Нанотехнологии в медицине и биологии